JP3381916B2 - 低周波誘導型高周波プラズマ反応装置 - Google Patents
低周波誘導型高周波プラズマ反応装置Info
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Description
ズマが主として誘導結合された電力によって発生するウ
エハ加工プロセス用のプラズマ反応装置に関する。
照番号によって示された構成要素(部材)が表れている
最初の図面を示している。
に選択性があり、しかも熱力学的平衡から離れた条件下
で加工を行うことができるので、回路製作におけるプラ
ズマエッチングや蒸着は、魅力的な方法である。異方性
プロセスはマスキング層の縁からほぼ垂直に延びた側壁
を有する集積回路パターンの作製を可能とする。このこ
とは、エッチング深さ、パターン幅及びパターン間隔が
全て同等である現在及び将来のULSI装置においては重要
である。
10が示されている。この反応装置には、プラズマ反応室
12を囲む絶縁被覆された金属壁11が設けられている。壁
11は接地されており、プラズマ電極の一方の側として機
能する。ガス供給源13から反応室12にガスが供給されて
おり、そのガスは、プラズマプロセスに適切な低圧状態
を維持するために、当該反応装置からガスを強制排気す
る排気システム14によって排気される。
内のプラズマに静電的に電力を供給する。加工のため、
ウエハ17は電極16上又はその近傍に配置される。ウエハ
17は、スリットバルブ18のようなポートを介して反応室
12内に搬入され、又、反応室12から搬出される。
源)が広範囲に用いられている。というのも、この周波
数は、ISM基準周波数(ISMとは、工業、科学、医療の分
野を意味する)であるからであり、ISM基準周波数の政
府規制放射限度は、非ISM周波数、特に通信帯域の周波
数における場合よりも、規制が緩やかだからである。こ
のISM基準のために、その周波数で利用される設備が多
いため、更に13.56MHzの全世界的な使用が助長されてい
る。他のISM基準周波数は、27.12MHzと40.68MHzであ
り、これらは13.56MHzのISM基準周波数の第1次、及び
第2次ハーモニクスである。
で等電位の伝導性プラズマ体19とプラズマシース(plas
ma sheath)と呼ばれている境界層110とからなってい
る。プラズマ体は、ラジカルや安定中性分子はもちろ
ん、ほぼ同じ濃度の負電荷及び正電荷を帯びた分子から
なっている。反応室に供給された高周波電力は、自由電
子にエネルギーを供給する。そして、これら自由電子の
多くに十分なエネルギーを伝え、その結果、この電子が
ガス分子と衝突することによってイオンが生成される。
プラズマシースとは、空間ポテンシャル(即ち、電界強
度)の勾配が大きく、かつ、電子が不足した伝導性の低
い領域である。かかるプラズマシースは、プラズマ体
と、プラズマ反応室の壁や電極のような界面との間に生
成する。
における電圧の負極側の直流成分Vdc(即ち、直流バイ
アス)が生じる(例えば、H.S.バトラー及びG.S.キング
流体物理学,6巻,1348頁(1963年)を参照)。このバイ
アスは、不均衡な電子及びイオンの移動性と、電極及び
壁面におけるシースキャパシタンス(静電容量)の不均
等の結果である。シースキャパシタンスの大きさは、プ
ラズマ室の形状及び該室内における電極と壁との相対面
積と同様に、プラズマ濃度の関数となる。電極における
数百ボルト程度のシース電圧が一般に作られている(例
えば、J.コバーン及びE.ケイ、高周波ダイオードグロー
放電スパッタリングにおける基質の正イオン衝撃 応用
物理誌,43巻4965頁(1972年)を参照のこと)。
は、イオンをその電極に対してほぼ垂直方向に、より高
いエネルギー状態まで加速するのに有益である。それ
故、プラズマエッチングプロセスにおいては、陽イオン
の束がウエハ面に対してほぼ垂方に投射されるように、
エッチングされるべきウエハ17が当該電極上又は僅かに
その上方に配置される。これにより、ウエハの非保護域
のほぼ垂直なエッチングを可能としている。商業的エッ
チングプロセスに要求されるエッチング速度(以下、
「エッチレート」という)を生み出すには、幾つかのプ
ロセス(シリカ(SiO2)のエッチング等)において、こ
のような高いシース電圧(及び高い放電電圧)が不可欠
である。
高集積度は、浅い接合を用いることと、数千オングスト
ロームの厚さのポリシリコンゲート下における薄い(10
ナノメートル程度)のゲート酸化物を要求する。残念な
ことに、そのようなIC構造は、図1の従来のプラズマエ
ッチング装置におけるような高エネルギー(100電子ボ
ルトを超えるエネルギー)イオンによる衝撃に敏感であ
るため、ゲートを形成するポリシリコン層のエッチング
工程の間、ゲート酸化物の損傷を避けるのが難しくなっ
ている。イオンエネルギーと関連するシース電圧の減少
に伴って、ウエハ損傷は減少するので、より少ない放電
パワーレベルと放電電圧において操作することは有利と
なろう。しかしながら、13.56MHzの静電結合電力では、
電圧の低下は、多くのプロセスにおけるエッチレートを
比例的に低下させる結果となり、そのためにプロセスの
効率を大きく低下させる。
るエッチレートは、プラズマからウエハに伝達されるイ
オン衝撃電力密度の関数である。この電力は電極のシー
ス電圧とウエハのイオン流密度との積に等しいので、低
減されたシース電圧においてほぼ一定したエッチレート
を維持するためには、ウエハのイオン流密度は増大され
ねばならない。このことは、ウエハ近くのプラズマイオ
ン密度を増やすことを要求する。残念ながら、従来のプ
ラズマエッチング装置では、電極のシース電圧と電極近
くのイオン密度とは相互に比例的であり、かつ、それら
は電極に印加される高周波電圧の振幅に単調増加な関数
である。
てシース電圧が減少されるならば、ウエハにおけるイオ
ンビームの電流密度もまた減少し、それによって、シー
ス電圧又はイオン電流における場合よりもエッチレート
における更なる割合の減少を生じさせる。それ故、商業
的に十分なエッチレートを有するソフトエッチングプロ
セス(ウエハにおける低いシース電圧を有するエッチン
グプロセス)が実行されるためには、ウエハのシース電
圧とイオン密度とを独立して調節可能であることが有利
となろう。
チレートを増大させる1つの方法は、磁石を利用してウ
エハの近傍に電子をトラップする磁気的な閉じ込め場を
作り、それにより、ウエハにおけるイオン生成率と関連
する密度を増やすことである。磁気的な閉じ込め場は、
磁力線の周りの螺旋軌道に沿って活性電子をうず巻き状
に進ませることにより、活性電子を閉じ込めている。
ングシステムの磁気的な閉じ込め場の不均一性によっ
て、ウエハ表面でのエッチレートの均一性が減じられて
いる。シース内及びその近傍の電場によるE(電場)×
B(磁場)ドリフトはまた、そのようなシステムにおけ
るエッチレートの均一性を減少させる。かかるシステム
におけるウエハ表面上の均一性を改善するために、ウエ
ハは、電極面に垂直かつその面の中心となる軸線の周り
に回転される。これは、ウエハ上の改善された平均均一
性を有する円筒対称な時平均場をウエハに生じさせ、そ
れにより、エッチングの均一性の向上が図られる。しか
しながら、かかる回転は、微粒子を生じさせて汚染を増
大させる好ましからぬ機械的な動きをプラズマ室内に生
じさせる。
チレートを生じさせる可能性のあるもう一つの技術は、
最近開発された電子サイクロトロン共鳴プラズマ生成法
である。この技術には、ウエハのクリーニグ、エッチン
グ、及び蒸着プロセスに対する適用事例がある。この技
術においては、マイクロ波電源と磁気的な閉じ込め構造
を用いてプラズマが生成される。残念ながら、エッチン
グあるいは化学蒸着法に適用された場合、この方法は、
高レベルで微粒子を生成し、放射方向へのエッチレート
の均一性が低く、しかも低効率である。
は、約0.13パスカルを超えると急激に増大するので、こ
のシステムの圧力はそのレベル以下に保たなければなら
ない。これは、(1):非常に高速の排気速度(毎秒3,
000リットル以上であって、これは普通のタイプの10倍
の体積である)を有し、かつこのプロセスに要求される
極低圧(0.013〜0.13パスカル)を生み出す真空ポンプ
システムと、(2):時として大きな電磁石を含む巨大
な磁気的閉じ込めシステムと、を含んでなる高価な装置
を必要とする。
くとも10センチメートルの領域にイオンを発生させるマ
イクロ波プラズマ発生装置を使用するものである。これ
らイオンは、ウエハ上の空間に流れ込み、ウエハのイオ
ン密度に貢献する。しかしながら、この方法は、多量の
自由ラジカルを生成させる傾向にあり、1平方センチメ
ートル当たりほんの数ミリアンペアのイオン流密度をウ
エハに発生させるだけである。
る「融合炉用の中性分子注入器RIG」原子核エネルギー
・核技術(Atomkernenergie−Kerntechnik),44巻(198
4年)No.1,81〜86頁では、粒子の中性ビームを発生させ
て、トカマク融合炉のエネルギー生成における均衡点を
設けるために必要とされている追加のパワー量を供給し
ている。このビームは、誘導結合電力によってイオンビ
ームを発生させることと、融合炉内に入る前にガスを通
過させることにより、そのビームを中性化することによ
って作られる。そのイオンビームは、この出願における
高周波フィールドの代わりに直流フィールドによって抽
出されている。
めの高周波イオン電源と題された論文(ガス放電とその
応用についての第9回国際会議1988年9月19日〜23日)
に示された反応装置においては、電子を加熱するために
パワーが反応室内に供給されており、ウエハへのイオン
ビームは高周波フィールドによる代わりに直流フィール
ドによって発生されている。
装置が示されている。そのプラズマ反応装置において
は、低周波(0.1〜6MHz)の高周波電源(RF電源)がウ
エハを保持する電極近傍のガスのイオン化エネルギーを
供給するためにプラズマに誘導的に結合されており、し
かも、より低電力の高周波電圧が電極に印加されて、そ
の電極上のウエハのイオン衝撃エネルギーを制御してい
る。ウエハは、加工のために、この電極表面又はその直
上方に配置される。
誘導コイルによって取り囲まれた非伝導性の反応室壁を
備えている。スプリットファラデーシールドは誘導コイ
ルと反応装置の側壁との間に配置され、その反応装置を
取り囲んで、誘導コイルとプラズマ反応装置との間にお
ける変位電流(displacement current)の発生をほぼ取
り除いている。実際に、このシールドは、低周波RF電場
のプラズマへの電気的結合を大幅に削減する(J.L.ボッ
センによる「プラズマエッチング及びプラズマ蒸着にお
けるグロー放電現象」と題する論文 電気化学会誌 固
体状態の科学と技術126巻No.2 1979年2月319頁)。そ
の結果、反応装置壁のイオン衝撃エネルギー、並びに、
反応装置壁の関連するエッチング及びスパッタリングが
ほぼ除かれ、低周波におけるウエハシース電圧の変調が
低減される。
間のキャパシタンス(静電容量)を変えることができる
ように、移動可能となっている。このファラデーシール
ドはほぼ反応室外壁に接触配置され、ウエハ加工プロセ
スの間、高キャパシタンスを生み出している。これは高
周波プラズマ電位を減少させ、それによって反応装置の
壁のプラズマエッチングを減少させている。ファラデー
シールドと反応室壁との間おける、低減されたキャパシ
タンスを生み出すところの増大した間隔は、増大した高
周波・時平均プラズマ電位レベルを生み出すためにウエ
ハエッチング時以外でも利用可能であり、これにより、
エッチングレベルを制御した状態で反応装置壁の浄化を
可能とするより高いイオン衝撃エネルギーを生じる。
スを変えるために半径方向に移動されるが、キャパシタ
ンスはまたファラデーシールドの垂直方向への移動によ
っても変え得る。そのシールドを垂直方向に移動可能と
した態様においては、当該シールドは、反応室と各誘導
コイルとの間に存在しなくなるほど垂直方向へ移動する
ことを許容されるべきでない。反応装置の壁によって提
供される有効な高周波接地電極へのプラズマのキャパシ
タンスを増大させるために、伝導性シートが反応室の上
部に含まれてもよい。このプレートもまた、プラズマ体
とファラデーシールドのこの部分との間のキャパシタン
スを変えるために、移動可能であってよい。
低圧力でのイオン発生を促進するために直流磁場が含ま
れてもよい。低圧下において電子は、反応室壁との衝突
により反応室からのロス比率を増加させる、増大した平
均自由行程を有する。この磁場は、壁との衝突前に反応
室内でのイオン化衝突の割合を増加させる螺旋状行路内
に電子を進入させる。
くほど強くなっている分散磁場が含まれてもよく、これ
により、反応室壁の上部での電子の減損を防ぐことがで
きる。この磁場は(反応室上部近くでは数万分の1テス
ラ程度)、反応室上部に配置され、かつ互い違いの磁場
方向を有する永久磁石の配列によってか、直流電流が流
れているソレノイドコイルによってか、あるいは、強磁
性のディスクによって発生される。
て、0.1〜6MHzの範囲の周波数で10kWのレベルまで供給
される。電極に印加される電圧はイオンが電極のシース
を横切る平均時間の逆数よりも高い周波数にある。この
電圧信号の周波数fhの好ましいものは、全てのISM標準
周波数、即ち、13.56MHz,27.12MHz,40.68MHzである。そ
れほど広く分散されないイオン衝撃エネルギーを生じる
ために、より高密度のプラズマには、より高い周波数が
必要とされるであろう。
場を持っており、それにより、ほぼ垂直なイオン衝撃
と、ほぼ垂直な又は制御されたテーバーなウエハエッチ
ングが生み出される。電極に提供される静電結合電力の
量は、プラズマへ誘導的に供給される電力よりもずっと
少ない。それ故、ウエハにおけるイオン電流の平均は、
第一義的には誘導結合電力によって決定される。そし
て、ファラデーシールドにより、ウエハにおける平均イ
オンエネルギーは、電極への高周波信号(rf信号)の振
幅だけの関数にほぼなる。
反応装置においては、平均イオン密度(一般には幾分低
い)とエネルギーの双方は、電極への高周波信号の振幅
によって制御される。それ故、誘導結合された反応装置
は、シース電圧を減少させ、イオン密度を高くすること
を可能にする。また、シース電圧とイオン密度は別々に
変えられ得る。結果として、商業的にみて受け入れ可能
なエッチレートでのソフトエッチングが達成され、その
ソフトエッチングは、100電子ボルト程度かそれ以上の
衝突エネルギーを有するイオンによって損傷され得る最
近の型の集積回路を損傷させることがない。
ウエハ上における非常に均一なプラズマイオン密度分布
を生じ、非常に均一なウエハ加工プロセスを実現する。
誘導的に発生させた電場はほぼ円筒状であり、それ故、
反応装置の側壁にほぼ平行に電子を加速する。プラズマ
の伝導性のために、この電場の強さは前記側壁から離れ
て急速に減少し、電子加速がその側壁近くの領域で主と
して起こる。
の一連の弾力衝突、及び/又は、側壁のシースとのかす
め接触を包含する軌道が描かれる。そのような衝突や接
触は、電子をプラズマ体の中へはじきとばす。このこと
は、壁の近傍のみにおいて有意義な電子加速を生ずる結
果となるが、また反応室中のいたるところでイオンを発
生させることとなる。これら電子及びイオンの拡散、並
びに電子の放射状E×Bドリフトは、ウエハの近傍にお
いて、非常に均一な密度を有する放射対称なイオン密度
を生じる。側壁近くで電子がエネルギーを得る領域から
離れた電子の散乱を促進するために、反応室内は、低圧
(一般に0.13〜3.9パスカル程度)に保たれる。
る上で非常に有効であり、それ故、プラズマ中のイオン
によって行なわれるウエハ加工プロセス用の他の反応装
置を超越して重要な利点を提供している(例えば、J/フ
レジンガーらによる「反応性ガスでの材料加工用のRFイ
オン電源RIM10」と題された論文 ガス放電とその応用
についての第9回国際会議1988年9月19〜23日を参
照)。この重要性は下記に述べる通りである。
ン、自由電子、並びに、自由電子による分子及び原子の
励起状態を作る。反応性イオンによる垂直エッチング
は、高周波電力の多くをイオン生成へ振り向ける反応室
には好都合である。過剰なラジカル集中のために、ラジ
カルによるウエハ表面での反応は、目的とされる製作加
工プロセスにとって有害となり得るので、プラズマによ
る自由ラジカルの相対生成を減少させることは、多くの
応用事例において有益である。それ故、反応性イオンエ
ッチングプロセス、又は、高イオン集中によって好都合
となるか、あるいは重大な自由ラジカル集中によって品
位を落とされる他のプロセスに対して、このプラズマ反
応装置は特に適している。
ずっと少ない静電結合電力を必要とするに過ぎない。こ
のシステムは、全電力が静電的に結合されている従来の
プラズマ反応装置用の500〜1000ワットに対して、数百
ワット程度の高周波電力を用いている。このシステムは
また、イオン流とイオン衝突エネルギーとを別個に制御
する能力を備えている。
加される高周波信号の振幅は、プラズマ内のイオン密度
だけでなく、その電極のシース電圧をも制御する。ソフ
トエッチング(即ち、ウエハのイオン衝撃エネルギー10
0ボルト程度かそれ以下)を達成するためには、静電的
に印加される高周波電力は、そのような反応装置におい
て伝統的に用いられてきた電力よりも低くされるべきで
ある。
を横切っての電圧降下を減少させるだけでなく、このシ
ースでのイオン密度をも低下させる。電極に対する高い
RF電圧下においてさえ、そのような静電結合電力は相対
的に低いイオン密度だけを生じさせる。ウエハエッチレ
ートは、このシースにおけるイオン密度と、そのシース
を横切っての電圧降下との積に比例するため、ウエハエ
ッチレートは、これら2つのパラメータのいずれかより
も速く減少する。このように、ソフトエッチングは、商
業的な集積回路の作製プロセスと両立し難い効率の減少
を生む。
高周波信号の振幅に拘束されることは、図2及び図3を
参照して示され得る。高周波電源15と電極16との間にあ
るコンデンサー21は、このシース電圧が直流成分を持つ
ことを可能とする。この直流成分は、電極の不均等な領
域と、電子及びイオンの不均等な移動性との相乗効果に
よって生み出されたものである。各プラズマシースは、
抵抗体、コンデンサー及びダイオードの並列的な組合せ
に電気的に等価である。シースを横切る電場は、104オ
ーム程度の大きなシース抵抗を生じるシース領域の外
へ、ほとんどの電子をはじきとばす。
スの静電成分は、約500kHzにおいて意義を有する程度に
十分に小さくなると共に、その周波数以下では無視され
得る。500kHzを超える周波数では、シース抵抗は非常に
大きく、それは無視できる。これは、静電結合された電
力の周波数における高周波シース電圧成分の場合であ
る。
オンよりもずっと大きい電子の移動性の影響は、ダイオ
ード24,28によって模式化されている。このように、も
し仮にプラズマがそのプラズマに近接した全ての電極に
関して負となるならば、プラズマ中の電子はその電極に
対して効果的に短絡するだろう。故に、シースインピー
ダンスは、要素22〜24及び26〜28によって模式化され
る。プラズマ体は、電極に印加されるRF電圧に用いられ
る高い周波数fh(好ましくは、ISM周波数13.56MHz,27.1
2MHz又は40.68MHzの一つである)において無視され得る
低インピーダンスの抵抗25として模式化される。
ク対ピーク高周波信号31、プラズマの結果電圧32、及び
電極のシース電圧36の間の関係を示す。シースキャパシ
タンスCS1及びCC2は、静電結合電力の周波数fhにおいて
顕著(優勢)であるので、抵抗RS1及びRS2は無視され得
ると共に、信号31の各周期における短区間を除いて、ダ
イオード24及び28は無視され得る。故に、最も働く条件
下では、プラズマ等価回路は静電ディバイダーに換算さ
れて、プラズマ電位VPとキャパシタンスCS1及びCS2を横
切る電圧の高周波成分はほぼ位相内にあり、大きさはVP
=Vrf・CS2/(CS1+CS2)で表される。
は、壁でのシースキャパシタンスCS2は、電極でのシー
スキャパシタンスCS1の10倍程度である。それ故、220ボ
ルトピーク対ピーク高周波信号31にとっては、プラズマ
電位VPがピーク対ピーク20ボルト程度になる。信号31及
び32は位相内にあるので、信号32のピーク33は信号31の
ピーク34と並んでいる。ダイオード24のために、信号31
と32の最小電圧差(各ピーク34において起こる)は、kT
e/e程度なる。同様に、プラズマの反応装置壁への短絡
を防ぐために、VPはグランド35よりも正極側で少なくと
もkTe/eはなければならない。
31の直流成分)の平均シース電圧36は、ほぼ−90ボルト
となる。シース電圧の直流成分は、−Vrf・CS1/(CS1+
CS2)/2にほぼ等しく、ここで、Vrfは高周波電圧のピー
ク対ピーク強度である。高周波信号の電場成分はほぼ電
極に対して垂直であるため、シース電圧は高周波信号強
度と共に直接的に変化する。このことは、電圧31の直流
成分36が電極に印加される高周波電圧のピーク対ピーク
振幅と直接的に関係があることを意味する。
電力低下と共に低下するプラズマ中のイオン密度に比例
しており、シース電圧を下げるために高周波電圧の振幅
が小さくされると、電流密度も低下することになる。そ
れ故、図1のプラズマ反応装置では、よりソフトなエッ
チングを行うために電圧が下げられた時でも、エッチン
グ電力を維持するためにウエハでの電流密度を高くする
ことはできない。
波信号31とプラズマの電圧32との間の差に等しい。この
電圧降下は、0ボルトから約−220ボルトの範囲で変化
する。イオンが、高周波信号の1/fhの周期に比して短い
時間間隔でこのシースを通過したとしても、高周波信号
31のピーク34付近のシースを通過するならば、その衝撃
エネルギーはほぼ0になる。そのような低エネルギー衝
撃イオンは、必ずしもウエハ面にほご垂直な軌跡を描く
とは限らず、それ故、目的とするウエハの垂直エッチン
グを低下させ得る。
平均時間の半分を超えないことが重要である。この通過
時間は50万分の1秒程度かそれより短いため、fhは少な
くとも4MHzはなければならない。より高いイオン密度及
び低シース電圧のためには、周期1/fhは、0.1マイクロ
秒(μs)以下になる。ISM周波数に関するゆるやかな
規制故に、fhはISM周波数である13.56MHz,27.12MHz,40.
68MHzのうちの1つに等しいことが好ましい。
ここで、 図1は、典型的なプラズマ反応装置の構造を示す。
置の等価回路である。
電圧VPと、シース電圧Vdcとの間の関係を示す。
と陰極に印加される高周波電圧との関係を示す。
独立して調整できるプラズマ反応装置が示されている。
この反応装置はまた、ウエハにおけるイオン流密度及び
電圧の非常に均一な分布を生じると共に、純粋に静電的
ないし、より高周波の誘導放電に関するプラズマ中での
イオン生成速度と自由ラジカル生成速度との間の比率を
引き上げることを可能とする。故に、このシステムは、
自由ラジカルに対するイオンの比率が大きい応用事例に
は特に有益である。
んでいる円筒形の反応室壁41がある。反応室壁41は7〜
30センチメートルの高さであり、加工されるウエハの直
径に依存する側方直径を有している。直径15センチのウ
エハの加工システムにあっては、この反応室壁は25〜30
センチ程度の側方直径を有し、直径20センチのウエハの
加工システムにあっては、この反応室は30〜38センチの
側方直径を有する。反応室壁41は、石英やアルミナのよ
うな非伝導性物質からなっている。
路又はトランス(変圧器)44を介して第1の高周波電源
43(以下、「RF電源」という)に接続された誘導コイル
42そのものである。商業的に好都合なリアクタンス値を
用いている伝統的な整合回路44によってか、あるいは、
誘導インピーダンス(通常、10オーム以下)を電源43の
インピーダンス(通常、50オーム)に整合させるトラン
スによって、RF電源43に都合良く整合するインダクタン
スを生むために、このコイルはほんの少しだけ巻き付い
ている(2〜8巻き程度)。整合回路は、電源43へ戻る
電力の反射をほぼ取り除くように設計されている。
である軸対称な高周波磁場と、ほぼ円筒状の電場を生じ
させる。これら二つの磁場と電場は、中心軸Aの周りに
対して回転対称となる。この回転対称性は、ウエハ加工
の均一性に貢献する。
は、誘導結合RF場の周波数f1で割られた(除された)プ
ラズマ中の電子密度の平方根に比例する厚さδ(1セン
チメートル程度)を有する側壁に隣接した領域に、ほぼ
限定される。更に大きなシステムにおいては、電子を加
速するこの領域の厚さを増加させるために、f1は低くさ
れる。
する。しかしながら、この加速された電子の慣性のため
に、電子は側壁でのシースの電場をかすめることにな
る。そのようなかすめ的接触は、電子の多くを壁から反
射させる。電子のいくらかは壁をたたいて二次電子を生
じさせる。ガス分子との弾性衝突は電子を反応室の至る
ところへ拡散させる。誘導的に発生した電場は側壁から
の距離δ(抵抗膜厚)に限定されるので、電子加熱はこ
の領域のみにとどまる。ウエハを横切るイオン密度をよ
り均一にするためには、圧力は低く保たれ(通常0.13〜
3.9パスカル)、壁付近で加熱された電子は壁から迅速
に拡散して、ほぼ均一なイオン化とウエハ表面において
結果として表れるイオン密度を実現する。
ピーク対ピーク振幅が1〜10ボルト/cmである円筒状の
電場を生み出すように選択される。このことは、3セン
チ以上の振幅を有する振動電子経路を生ずる結果とな
り、これら電子の平均自由行程は電子振動の振幅程度か
それ以下となる。電源43は0.1〜6MHzの範囲の周波数
で、かつ10kWまでの出力で電力を供給する。
学的、医学的)標準周波数(即ち、13.56MHz,27.12MHz,
40.68MHz)のうちの1つの周波数で電極52に高周波電力
を供給する。図1の例では、この高周波電源は、電極52
に並んで直流シース電圧を生み出す。その電力レベル
は、100ワット以下から数百ワット(500ワットまで)ま
での範囲にあり、静電結合された高周波信号のイオン密
度への影響は、電源43からの誘導結合電力の影響よりも
はるかに少ない。この電力レベルは、プラズマ反応装置
の電極へ一般に供給される電力レベルよりも幾分低い。
この電力レベルは、イオンによるウエハのソフトな衝突
(即ち、運動エネルギー100ev以下)を生み出すために
低く保たれる。この電極への低い電力レベルはまた、イ
オン密度がRF電源43によって主として決定されることを
意味する。このことは、イオン密度及びシース電圧のデ
カップリング制御に際して有利である。
電極までの、電極に対する法線に沿っての経路積分がゼ
ロになるように、この電場を電極と平行にする。この結
果として、図1のプラズマ反応装置とは異なり、プラズ
マ体と電極との間のRF時間変化電位差を生じるシースの
高周波成分が存在しない。このことは、低周波誘導RF場
の電極の電位への結合をほぼ取り除く。それ故、電極52
のシース電圧はRF電源51だけによって決定される。
ては、側壁になる1ダースの伝導性プレート46からなる
接地されたファラデーシールド45に相当する。各ファラ
デーシールド伝導性プレート46は、間隙48だけ近隣のプ
レートとの間隔を置いている。これら間隙は、誘導高周
波磁場が反応室50内を突き抜けることを可能とするため
に必要とされる。ファラデーシールド内における円周方
向の電流の発生を防止するためには、少なくとも1つの
間隙が必要とされる。レンツの法則により、そのような
円周方向の電流は反応室50内の磁場の変化に強く反発
し、その結果、コイル42の電流の反応室50での望まれた
作用に本質的に逆らうことになる。
地された伝導壁と同じ機能を提供する。つまり、静電結
合されたRF場が反応室の外側へ外れて他の装置と干渉し
ないように、又は連邦放射基準を逸脱しないように、フ
ァラデーシールドは静電結合されたRF場を反応室50内に
制限する。このシールドはまた、静電結合電源51によっ
てつくられた電極からの高周波電流の帰還経路を提供す
る。
っている場合、電源43のRF周波数f1におけるプラズマ電
位VPの時間変化量を大幅に減少させることができる。こ
れは、イオン密度及び平均シース電圧Vdcについての第
1のRF電源43及び第2のRF電源51の影響を切り離す上で
重要である。コイル42に印加される電力レベルにおいて
は、これらコイルの大きなインダクタンス(1〜100マ
イクロヘンリー程度)は、コイルの一端又は両端での高
い電圧を生じる。ファラデーシールドがないとすれば、
コイル42の高電圧端47はプラズマ体に静電結合すると共
に、電源43の周波数f1でのVPのRF変化に影響を与えるで
あろう(例えば、J.L.ボッセン「プラズマエッチング及
びプラズマ蒸着におけるグロー放電現象」電気化学学会
誌、固体状態の科学と技術126巻No.2,319頁を参照)。
マ体へ静電結合しないように、伝導性プレート46とコイ
ル42との間の最小間隔よりも狭くなっている(前記ボッ
セン文献を参照)。もしも、そのようなプラズマ体への
静電結合が妨げられない場合、このVPのRF変化は、同じ
周波数におけるシース電圧(それ故に、イオンエネルギ
ー)の変化として現れることになる。更にまた、ファラ
デーシールドによってほとんど排除されないとすれば、
この電場はエッチングの対称性を低下させることにな
る。
41に隣接したプラズマシースのシースキャパシタンスC
S2の値に大きく影響する。もしもこのファラデーシール
ドが存在しないならば、静電結合された高周波信号の有
効接地は、RF誘導コイルか又はその反応室を取り囲んで
いる環境により提供され、それ故に、反応装置の近傍に
存在する他の物体によって影響されることになろう。更
に、これらの物体は一般に、有効接地状態が無限にある
として扱われるに十分に大きい距離にある。このこと
は、側壁及び上壁のCS2を、図3の場合のようなCS1の10
倍ではなく、CS1の10分の1程度かそれ以下にする。結
果として、プラズマ電位VPと高周波信号との関係は、図
3に示された関係よりも図7に示された関係にずっと近
くなる。
のピーク対ピーク振幅を有するものと再度仮定する。C
S1がCS2の10倍に等しい場合、プラズマ電圧信号72は200
ボルトのピーク対ピーク振幅を有する。プラズマ電圧VP
のピーク73は、高周波電圧信号71のピーク74と再び相並
び、両ピークの間隔は再度、kTe/eの数倍までになる。
同様に、VPのくぼみのグランドとの間隔は、kTe/e程度
(通常、数ボルト)である。故に、プラズマ電圧信号72
は100ボルト程度の直流成分77を有する。これは、プラ
ズマ電圧信号32が約10ボルトにkTe/e程度のオフセット
を加えた直流成分を有している図3と対照的である。
流成分は、プラズマ内イオンによる許容できないレベル
の壁のエッチング又はスパッタリングを生ずることとな
る。このような作用は、反応室壁を損傷するだけでな
く、反応性ガスを消耗し、反応室内でのウエハ作製プロ
セスを妨げる汚染物質をプラズマ内に導き入れる。しか
しながら、壁41から多少離間配置されているファラデー
シールド45がある場合、有効接地電極のキャパシタンス
が増大し、CS2は再びCS1よりも数倍大きくなり、高周波
信号とプラズマ電圧VPとの関係は図7に代わって図3の
ようになる。
レート(即ち、プラズマと伝導性壁)の間隔は0.1セン
チほどになる。図4の反応装置では、ファラデーシール
ドが壁41の近くに置かれている場合、キャパシタンスC
S2は、0.075センチメートルの真空ギャップと等価であ
るところの、誘電率(4よりも大)で除された壁41の厚
み分だけ増加される。それ故、壁のキャパシタンスCS2
は、図4の場合に匹敵する大きさを有した図1に示すタ
イプの反応装置におけるキャパシタンスの半分の値より
も少し大きくなる。
ことができ、キャパシタンスCS2は伝導性プレート46を
壁から離間する方向に動かすことによって低下し、およ
そ0.1〜10の範囲にわたりCS1/CS2比率を変化させる。こ
れら伝導性プレートはウエハ加工プロセス中、壁41の近
くで動かされるので、反応室壁のエッチングと汚染物質
の副産は最小限にとどめられる。ウエハ加工プロセス以
外の時には、定期的に壁のエッチングを行って壁を清浄
にするために、伝導性プレートは1センチ又はそれ以
上、壁から離間する方向へ移動される。この反応室の清
浄工程での残り屑は、更なるウエハ加工プロセスが行わ
れる前に反応装置から取り除かれる。
徴部分を示している側断面図及び上面図である。反応室
50の上部のすぐ外には、ファラデーシールド45がこの反
応室の側面に持たせているのとほぼ同じ機能を反応室50
の上部に持たせる接地状態の伝導性プレート53がある。
ットの磁石54が存在している。強磁性反射プレート55
は、最も外部にある2つの磁石によって生み出された磁
場の磁束を跳ね返すのを助ける。磁石は永久磁石である
ことが好ましく、その理由は、この種の磁石は十分な磁
場を経済的に提供してくれるからである。この配列は、
電子をプラズマ体へ向けて跳ね返す磁気的な鏡の如く作
用するところの、約0.01テスラの交番方向の磁場の並び
を反応室50の上部に作り出す。
センチ程度)の2倍程度の距離だけ反応室内に入り込ん
でいる。他の実施態様において、前記磁石の直線的な配
列は、同心円状の環状磁石の1セットで置き換えられる
と共に、それら隣合う環状磁石のN極が垂直方向に対し
て反対向きにした状態で配置されてもよい。更に他の実
施態様において、反応室の上部近くに数万分の1テスラ
程度の磁場を持つ磁気鏡を作り上げるために、N極が垂
直方向に向けられた強磁性物質の平らなディスクや、単
環直流ソレノイドが使用されてもよい。磁気を帯びたデ
ィスクを使用した実施態様は好ましく、その理由は、そ
れは簡素かつ安価であり、反応装置の半径方向の対称性
を保持するからである。これとは対照的に図5の磁石54
による磁場が半径方向の対称性を欠いていることは、ウ
エハエッチングにおけるの半径方向の対称性をわずかに
低下させるかもしれない。
直流磁場を生じて側壁から離れた電子を包含するため
に、直流電源57に接続された伝導性コイル56が存在す
る。このコイルの磁場の大きさは、0.0001〜0.01テスラ
程度になり得る。
応装置と比べてかなり改良された作用を発揮する。しか
るに(発明の背景において述べた)マイクロ波電源を用
いたプラズマ反応装置は、ほんの数ミリアンペア/cm2の
電流密度を生じるに過ぎないのに対して、本反応装置で
は50〜100ミリアンペア/cm2にまでなる。試験は、SF6,C
F2Cl2,O2及びアルゴン等の各種の反応性ガスにおいて前
記高電流が生じたことを示している。
力で他のプラズマ製造法におけるような中性フラグメン
トの生成に向けられる代わりに、イオンの生成に向けら
れていることを示す。かかる中性フラグメントは、電流
には寄与しない。イオンだけがウエハに対する垂直方向
の衝撃を与えてほぼ垂直な壁を形成することとなるの
で、このことは重要である。ウエハにおいて非常に低い
シース電圧を生じる能力を有するということは、シース
電圧を20〜30ボルト以下にまで下げることによって、下
層の10ナノメートル厚のSiO2ゲート絶縁物を損傷したり
エッチングしたりすることなく、400ナノメートル厚の
ポリシリコンゲートが垂直にエッチングされ得ることを
意味するものである。
ており、その排気ポート58は、プラズマ加工生成物を排
出して圧力を所定レベルに維持するためのポンプを含む
排気システム59の一部を構成する。一般に、側壁の近く
の電子熱場からバルク内への電子拡散を促進するため
に、圧力は0.13〜3.9パスカル程度に保たれる。この気
圧でも、誘導結合電力は主としてイオン生成に向けられ
る。
うな他のプラズマシステムは、約0.13パスカル以上の圧
力下で相対的により多くの自由ラジカルをを生ずる。マ
イクロ波プラズマ反応装置が主としてイオンを生成する
ものであるとすれば、圧力が数百分の1パスカル程度以
下であることを必要とする。このことは、反応装置のポ
ンプが毎秒数Torrリッターよりも遥かに大きい速度を持
つことを要求する。この大きなポンプ速度は、反応室に
しっかりつながれた低温ポンプか、もしくは、反応室に
大きなポートを備えたターボポンプを用いることを求め
る。
力下で作動することができ、毎秒数十パスカル−リッタ
ー程度のポンプ速度を求めるに過ぎない。これは、反応
室の周囲のスペースを乱さず、ウエハ操作を阻害せず、
あるいは他の反応室の周りで邪魔にならないようなずっ
と小さなポンプで間に合うということである。そのよう
なポンプはまた、再生を必要とせず、低温ポンプにおけ
るような安全性の問題を抱えていない。
Claims (15)
- 【請求項1】半導体基板を加工するためのプラズマ反応
装置であって、 半導体基板の加工において少なくとも1つのプラズマ生
成物を生成するためにプラズマを発生させる反応室(5
0)を包囲する反応壁(41)と、 ガス供給源(49)とガス排気システム(59)とを反応室
に連結するための手段と、 高周波電源(43)と、 前記反応装置の外側に配置され、かつ前記高周波電源
(43)に結合され、前記高周波電源からの電力をプラズ
マ中に誘導的に供給する誘導コイル(42)と、 前記誘導コイルと前記反応室との間に配置されるととも
に複数のほぼ非伝導性の間隙を有するスプリットファラ
デーシールド(45)と、高周波電源からの電力は前記プ
ラズマを持続するためにスプリットファラデーシールド
を通過する電力を誘導的に供給されることと、 加工時に半導体基板が少なくとも1つのプラズマ生成物
にさらされるように半導体基板の位置を定めるための支
持体とを備えるプラズマ反応装置。 - 【請求項2】請求項1に記載のプラズマ反応装置におい
て、 高周波電源が、第1の無線周波数電源(43)及び第2の
無線周波数電源(51)からなるプラズマ反応装置。 - 【請求項3】請求項2に記載のプラズマ反応装置におい
て、 前記反応装置は更に、第2の無線周波数電源に結合する
電極(52)を備え、加工時に半導体基板が当該電極上も
しくは電極に隣接して置かれるプラズマ反応装置。 - 【請求項4】請求項3に記載のプラズマ反応装置におい
て、 誘導コイル(42)は反応室(50)を包囲するプラズマ反
応装置。 - 【請求項5】請求項1乃至3のいずれか1項に記載のプ
ラズマ反応装置において、 高周波電源(43)が静電電力及び誘導電力を備え、スプ
リトファラデーシールドは、電源からの静電電力が反応
室に到達するのをほぼ阻止するとともに、電源からの誘
導電力が反応室に到達するのを許容するように配置さ
れ、シールド手段は、加工時に半導体基板が少なくとも
1つのプラズマ生成物にさらされるために反応室のガス
へ誘導的に電力を供給する通路を許容するほぼ非伝導性
の複数の間隙(48)を提供するプラズマ反応装置。 - 【請求項6】請求項1乃至5のいずれか1項に記載のプ
ラズマ反応装置において、 前記スプリットファラデーシールドは前記誘導コイルに
対して接地されているプラズマ反応装置。 - 【請求項7】請求項1乃至6のいずれか1項に記載のプ
ラズマ反応装置において、 誘導コイルは方向を有する磁場を発生し、前記スプリッ
トファラデーシールドによって形成された間隙は磁場の
方向に対してほぼ平行であり、間隙が前記磁場によって
スプリットファラデーシールドの電流の誘導をほぼ阻止
するプラズマ反応装置。 - 【請求項8】請求項1乃至7のいずれか1項に記載のプ
ラズマ反応装置において、 前記スプリットファラデーシールドは、前記誘導コイル
が前記プラズマ中に電力を供給することを許容する少な
くとも12のほぼ非伝導性の間隙を形成するプラズマ反応
装置。 - 【請求項9】請求項1乃至8のいずれか1項に記載のプ
ラズマ反応装置において、 半導体ウェハに対する荷電粒子を加速するための手段を
更に備えるプラズマ反応装置。 - 【請求項10】請求項1乃至9のいずれか1項に記載の
プラズマ反応装置において、 前記スプリットファラデーシールド及びプラズマ間のキ
ャパシタンスを変化させるための手段を更に備えるプラ
ズマ反応装置。 - 【請求項11】請求項1乃至10のいずれか1項に記載の
プラズマ反応装置において、 半導体基板がポリシリコンの表面層と酸化物絶縁体の薄
い内層を備え、誘導コイルがプラズマ中における高イオ
ン密度を生成するためにプラズマ中に十分な電力を供給
し、かつスプリットファラデーシールドが、当該スプリ
ットファラデーシールドの非存在下における静電的な変
調のレベルに対するプラズマ電位の静電的な変調のレベ
ルをほぼ低減し、プラズマからのイオンが酸化物絶縁体
の薄い内層をほぼ損傷することなく高い割合にてポリシ
リコンを制御可能にエッチングするプラズマ反応装置。 - 【請求項12】プラズマ反応装置中にて半導体基板を加
工する方法において、 ガスを反応室に供給する工程と、 反応室内のガスに誘導的に電力を供給する通路を許容す
る複数のほぼ非伝導性の間隙を形成する、反応室の外側
に配置されたスプリットファラデーシールドによって反
応室にガスをシールドする工程と、 反応室内にプラズマを維持するために前記スプリットフ
ァラデーシールドを介してガス中に誘導的に電力を供給
する工程と、 半導体基板の加工において少なくとも1つのプラズマ生
成物を形成する工程と、 加工時に半導体基板を前記少なくとも1つのプラズマ生
成物にさらす工程とを備える方法。 - 【請求項13】スプリットファラデーシールドとプラズ
マとの間のキャパシタンスを変化させる工程を更に備え
る請求項12に記載の方法。 - 【請求項14】工作物とプラズマとの間のキャパシタン
スに対するスプリットファラデーシールドとプラズマ間
とのキャパシタンスを変化させる工程を更に備える請求
項12に記載の方法。 - 【請求項15】半導体基板がポリシリコンの表面層と酸
化物絶縁体の薄い内層とを備え、半導体基板を前記少な
くとも1つのプラズマ生成物にさらす工程は、少なくと
も1つのプラズマ生成物を用いてポリシリコンの表面層
をエッチングする工程を更に備え、ガスをシールドする
工程は、少なくとも1つのプラズマ生成物のエネルギー
を制御する工程を更に備え、それによりポリシリコンの
表面層は酸化物絶縁体の薄い内層をほぼ損傷することな
くエッチングされる請求項12に記載の方法。
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